Общие положения по выполнению лабораторных работ
Цель лабораторных работ:
1) закрепить и углубить знания, полученные на лекциях и самостоятельных занятиях по взаимному превращению теплоты и работы, свойствам тел, участвующих в этих превращениях и используемых в тепловых машинах различного назначения;
2) приобрести навыки лабораторного эксперимента и использования измерительной аппаратуры;
3) научиться делать выводы и обобщения, составлять отчеты по результатам работы.
Непосредственно перед началом выполнения работы студенты обязаны пройти инструктаж по технике безопасности.
Перед выполнением каждой лабораторной работы студент обязан знать соответствующий теоретический материал.
Лабораторная работа выполняется бригадой из четырех-пяти человек.
После выполнения работы студенты составляют отчет о проделанной работе и защищают его у преподавателя (в этот же день).
Техника безопасности при выполнении работ
Включение лабораторных стендов допускается только с разрешения преподавателя.
Присутствие у лабораторного стенда разрешается только членам бригады, выполняющим данную лабораторную работу.
К выполнению лабораторной работы допускаются лица, ознакомившиеся с:
· устройством лабораторного стенда;
· возможными травмирующими факторами (производственными опасностями);
· последствиями от поражения электрическим током.
Категорически запрещается выполнять в лаборатории действия, которые могут повлечь за сбой несчастный случай.
При поражении электрическим током необходимо:
· вызвать к пострадавшему «скорую помощь» и поставить в известность преподавателя;
· по возможности отключить электропитание установки;
· освободить пострадавшего от действия электрического тока (откинуть сухим нетокопроводящим предметом электрический провод, оттащить пострадавшего за сухую одежду от электрического провода);
· при необходимости сделать искусственное дыхание (непрямой массаж сердца плюс искусственное дыхание изо рта в рот).
О любой неисправности установки или прибора, а также при возникновении несчастного случая следует немедленно поставить в известность преподавателя.
По окончании работы необходимо:
· выключить установку;
· сдать преподавателю все используемые приборы;
· привести рабочее место в порядок.
Покидать лабораторию без разрешения преподавателя запрещается. Лица, виновные в нарушении техники безопасности, несут ответственность в установленном порядке.
Оформление отчета о лабораторной работе
отчет о лабораторной работе оформляется на стандартных листах бумаги формата А4 (или в тетрадях).
Отчет должен в краткой форме раскрывать суть работы и содержать эскизы, диаграммы, схемы, уравнения. Письменный отчет должен быть грамотно оформлен в соответствии с установленными правилами.
Лабораторная работа № 4
Тепловой насос и кондиционер
Цель работы:
1) изучить устройство и цикл теплового насоса;
2) изучить устройство и цикл кондиционера;
3) экспериментально определить отопительный коэффициент кондиционера.
Общие теоретические сведения
Обратный цикл, с помощью которого теплота передается с низкого температурного уровня на более высокий в целях отнятия теплоты от тел, подлежащих охлаждению может быть осуществлен не только в холодильных машинных. С помощью обратного цикла можно отнимать теплоту от окружающей среды (например, от речной или озерной воды) и передавать эту теплоту среде с более высокой температурой в целях ее нагревания (например, воде, циркулирующей в отопительных батареях жилых помещений). Установка, в которой протекает такой обратимый цикл, называется тепловым насосом (рисунок 3.1).
Идея использования теплового насоса (ТН) для отопления впервые была высказана В.Томсоном.
Принципиальных отличий между циклами холодильной машины и тепловым насосом нет. Они отличаются лишь целями осуществления и интервалами температур, между которыми выполняется цикл. На рисунке 3.1 показаны схемы действия теплового насоса (слева) и холодильной машины (справа). Температурные интервалы взяты условно для некоторого произвольно выбранного случая.
Эффективность теплового насоса особенно велика, когда требуется достижение сравнительно высоких температур (например, в целях отопления, для технологических нужд, некоторых отраслей пищевой промышленности, для опреснения морской воды и т.д.).
Прямое использование в этих целях теплоты, получаемой при сгорании топлива, ведет к необратимым потерям.
Рисунок 3.1 – Сопоставление условий работы теплового насоса (а)
и холодильной машины (б)
Тепловая энергия в этом случае обеспечивается переходом с высокого температурного уровня (1000…1500 ºС) на сравнительно низкий (50…150 ºС). столь же невыгодным является и непосредственное использование для перечисленных целей электрической энергии. Гораздо эффективнее затратить электроэнергию на привод компрессора в установке теплового насоса, «перекачивающего» теплоту из окружающей среды на более высокий температурный уровень.
Тепловые насосы широко распространены в энергодефицитных зарубежных странах. в США введено в эксплуатацию более 5 млн. шт. общей мощностью более 5 тыс. МВт. В Швеции эксплуатируется около 100 тыс. насосов, общая мощность которых превышает 400 МВт. в Австрии их количество больше 200 тыс. шт. суммарной мощностью 400 МВт.
Повышенный интерес к внедрению ТН обусловлен возможностью утилизацией неиспользуемой иными способами рассеянной теплоты естественного или техногенного происхождения; высокой энергетической эффективностью достигаемой 150…300 %; возможностью производства теплоты и холода одним и тем же агрегатом. Тепловые насосы успешно эксплуатируются как в теплотехнических установках, так и в системах теплоснабжения.
Несмотря на то, что для трансформации теплоты могут быть использованы различные принципы, наибольшее распространение получили ТН парокомпрессорного и сорбционного типа.
Широко используемые парокомпрессорные тепловые насосы различаются:
1) по термодинамическим циклам – в основном это циклы Ренкина, Стирлинга, Брайтона;
2) по типу компрессоров – поршневые тепловые насосы, винтовые и турбокомпрессорные;
3) по степени герметичности – герметичные, бессальниковые и сальниковые.
Наибольшее распространение как за рубежом, так и в России, получили парокомпрессорные ТН, работающие по циклу Ренкина, со всеми типами компрессоров и с любой степенью герметичности как наиболее термодинамически совершенные.
Технология работы теплового насоса относительно проста. С термодинамической точки зрения этот способ нагревания нерационален. Однако сегодня требуются технические новшества, чтобы отойти от пути обычного сжигания топлива и ввести в практику новые технологии теплоснабжения.
Тепловые насосы особенно пригодны для одно- и двухквартирных домов и в этом секторе начинают конкурировать с тепловыми системами.
Сейчас в жилищном фонде используются главным образом системы водяного центрального отопления. При низкой наружной температуре необходимо поддерживать температуру воды в системе отопления между 70 ºС и 90 ºС. 39 % жилищного фонда отапливается системами, работающими на жидком топливе, 32% – работающими на газе. Для этих зданий независимо от их размера, разработана двойная система нагрева, в которой тепловой насос дополняет существующую систему.
Такие двойные системы рентабельны уже при получении от теплового насоса 25…50 % требуемой энергии. Однако фактически тепловой насос покрывает от 65 до 85 % годовой потребности в тепловой энергии (рисунок 3.2).
Рисунок 3.2 – Эффективность совместной работы различных систем
в процессе получения тепла
Только при очень низких температурах наружного воздуха бойлер включается в работу. В этих системах теплота отбирается от наружного воздуха. такой источник энергии имеется и легко доступен. Включение тепловых насосов в системы обогрева зданий технически достаточно простое. В настоящее время в Германии работают 45000 подобных тепловых установок. Парокомпрессорный тепловой насос, принципиальная схема которого приведена на рисунке 3.3 а, в качестве основных элементов включает компрессор, конденсатор, регулировочный вентиль и испаритель.
В компрессоре рабочее вещество (например, газообразный фреон) поступающее из испарителя, сжимается, давление рабочего вещества повышается с ро до рк, рисунок 3.3 б (процесс 1-2). При сжатии в компрессоре газообразный фреон нагревается до 80 ºС. работа сжатия газа идет на повышение энергии фреона, циркулирующего в тепловом насосе.
I – испаритель; II – конденсатор; III – компрессор;
IV – дроссельный вентиль; pк, tк – давление и температура в конденсаторе; pо, tо – давление и температура в испарителе
Рисунок 3.3 – схема парокомпрессорного ТН (а) и изменение состояния рабочего агента в Т-s диаграмме (б)
В конденсаторе (рекуперативном теплообменнике) перегретые пары фреона охлаждаются (при рк = сonst) до температуры конденсации, рисунок 3.3 б (процесс 2-3-4), отдавая часть тепловой энергии; дальнейшее охлаждение паров фреона приводит к их сжижению. При охлаждении и конденсации выделяется теплота qк. полученную энергию можно использовать, для нагрева воды с 40 до 60 ºС в системе теплоснабжения.
В регулировочном вентиле давление жидкого фреона падает с рк до ро (процесс 4-5).
В испарителе (процесс 5-1) за счет подводимой от низкотемпературного источника теплоты qо жидкий фреон испаряется с поглощением теплоты. Это количество теплоты трансформируется на температурный уровень tк. Пары фреона поступают в компрессор. цикл повторяется.
принципиальная схема теплового насоса используемого для отопления жилых зданий представлена на рисунке 3.4.
|
Рисунок 3.4 – Принципиальная схема теплового насоса
Установка включает в себя те же основные звенья, что и холодильная машина. В испарителе 1 холодильный агент кипит за счет теплоты q2, отнимаемой от речной или озерной воды. После адиабатного сжатия паров холодильного агента в компрессоре II их температура значительно возрастает. В конденсаторе III пары конденсируются, отдавая теплоту q1 отопительной системе. Жидкий холодильный агент дросселируется в регулируемом вентиле IV и в состоянии влажного насыщенного пара поступает в испаритель.
На рисунке 3.4 показаны ориентировочные температуры холодильного агента до и после сжатия, а также температуры речной воды и воды теплоносителя в отопительной системе.
Анализ теплового баланса цикла теплового насоса 
позволяет сделать вывод, что нагреваемому телу, кроме теплоты, эквивалентной работе сжатия ℓ ц, сообщается и теплота q2 отнятая от низкотемпературного источника. При благоприятных условиях теплопроизводительность q1 в несколько раз превышает затрату работы ℓ ц.
эффективность цикла характеризуется отопительным коэффициентом εот. отопительный коэффициент – отношение количества удельной теплоты q1, отданной в конденсаторе и переданной нагреваемой среде, к удельной теплоте q1 – q2 эквивалентной работе, затраченной в цикле:
. (3.1)
Значение εот всегда больше 1, так как числитель больше знаменателя на величину q2: теоретически 1< εот < ∞.
Связь между отопительным коэффициентом εот и холодильным коэффициентом εх определяется соотношением
. (3.2)
Отопительный коэффициент имеет наибольшее значение тогда, когда в ТН осуществляется обратный цикл Карно.
В этом случае он может быть вычислен через температуры Тн и То:
. (3.3)
Очевидно, что значение εот тем больше, чем меньше разность температур Тн – То, при которой теплоту qo приходится «поднимать» на меньший температурный уровень. С этой точки зрения чрезвычайно выгодно использовать в качестве источника теплоты q2 сбросовые воды различных производств, воду, используемую для охлаждения крупных электрогенераторов, и т.д.
На рисунке 3.5 представлены идеальные и реальные значения εот в зависимости от tк до tо.
При температуре конденсации tк = 60 ºС коэффициент трансформации (отопительный коэффициент) реального цикла ТН 
равен 2…4, коэффициент трансформации идеального цикла 
равен 5…8; причем при tо→ tк коэффициент εот → ∞. Применение ТН наиболее эффективно при условиях, когда tк незначительно отличается от tо, например, в системах теплоснабжения с воздушным отоплением, в которых температура в конденсаторе может не превышать 35…40 ºС или в процессах дистилляции в пищевой промышленности, когда ТН используется одновременно для выработки теплоты и холода.
Рисунок 3.5 – Зависимость коэффициента трансформации теплоты от температуры конденсации при различных температурах в испарителе
Коэффициент трансформации одноступенчатых тепловых насосов с электроприводом, использующих теплоту грунта, составляет 2,3…2,5.
Для оценки энергетической целесообразности использования ТН сравнивают затраты топлива на выработку тепла в котельной В1 и с помощью ТН В2:
(3.4)
, (3.5)
где вк, вэ – удельные расходы условного топлива на выработку единицы теплоты и электроэнергии; ε – коэффициент трансформации ТН (рисунок 3.6).
Рисунок 3.6 – Принципиальная оценка эффективности получения энергии с помощью парокомпрессорных ТН с различным приводом компрессора (б, в) по сравнению с котельной (а)
При В2/В1<1 для получения теплоты энергетически выгоднее
использование ТН.
Qт, Qпол, Qпот, Qнит,Qвит, Qу – соответственно энергия первичного топлива, полезная энергия, потери, энергия от низкопотенциального источника, энергия от высокопотенциального источника, энергия за счет утилизации теплоты ДВС.
В парокомпрессорных ТН в качестве привода компрессора могут использоваться как электродвигатели, так и двигатели внутреннего сгорания. Эффективность использования первичного топлива в последнем случае, как правило, выше, чем в случае электропривода (рисунок 3.6 в).
При существующих средних по России удельных расходах условного топлива (вк = 158 кгу.т/Гкал, вэ = 320…340 гу.т/(кВт·ч) оказывается что В2 < В1 при ε = 3…4, экономия топлива от применения парокомпрессорных ТН по сравнению с котельной составляет 30…40 % (в среднем 6…10 кгу.т/(гДж). При увеличении ε с 2 до 5 экономия топлива возрастает с 3 до 30 кгу/ГДж при сопоставлении с котельными на органическом топливе – от 45 до 75 кгу/ГДж по сравнению с электрокотельными.